基于Fluent的清洗道路标线喷嘴的仿真分析①

刘力红, 徐 洋, 杜 鹏

(安徽理工大学机械工程学院,安徽 淮南232001)

0 引 言

喷嘴是高压水射流清洗道路标线机构重要组件,其作用是通过喷嘴内孔横截面的收缩,将高压水的压力能聚集起来,并转化为射流的动能,最后以高速水射流的形态向外喷射,达到清洗标线的作用[1,2]。

许多学者对高压水射流喷嘴进行了较为广泛的研究,杨国来[3]等针对不同结构的圆锥形喷嘴,对高压水射流流场的速度、压力、介质等物理量进行模拟仿真,得出锥直形喷嘴的长径比在2～4时速度最佳;沈娟[4]通过从喷嘴的主要参数着手,对其进行参数优化,从而得到相对最优化的喷嘴参数组合;侯荣国[5]通过Fluent软件对磨料射流喷嘴内外流场进行模拟仿真,结果表明:喷嘴内锥面锥角和内锥面长度是影响内部流体速度分布的主要因素;王晓龙[6]对高压水射流清洗道路标线做了进一步的仿真研究,仿真结果表明:压力、靶距和冲击角度的选择均能影响清洗效果。

主要对清洗道路标线喷嘴进行研究,利用Fluent软件对不同入口压力、不同入口直径、不同收缩角和不同冲击角度下的喷嘴内外流场进行模拟仿真,旨在为清洗道路标线喷嘴机构的设计提供理论依据。

1 清洗道路标线喷嘴模型建立

目前,常用的高压水射流清洗喷嘴结构有圆柱形、圆锥形和锥直形等。圆柱形喷嘴的最大水射流速度出现在喷嘴内部,而圆锥形、锥直形喷嘴的最大水射流速度出现在喷嘴外部,且圆锥形、锥直形喷嘴的最大水射流速度和最大压力均明显大于圆柱形喷嘴,考虑到射流的附壁效应,锥直形喷嘴结构为最佳选择[7-9]。

因此,主要研究对象选用锥直形喷嘴,其内部结构如图1所示。对于锥直形结构喷嘴,主要结构参数有:喷嘴的入口直径D,出口直径d,收缩角α,喷嘴长径比l/d及喷嘴长度L。

图1 锥直形喷嘴内部结构示意图

选取喷嘴出口直径d=1 mm,长径比l/d=3。通过公式(1)计算[10]:

得出喷嘴长度L。

通过AutoCAD软件建立喷嘴内外流场的二维对称几何模型,如图2所示。其中AMLKJA为喷嘴区域,JHGFEDCBJ为水射流外流场区域。接着通过ICEM对模型进行网格划分,设置AM为压力入口,ED、DC、CB为压力出口,其环境为标准大气压力,ML、LK、KJ、JH、HG、GF、FE为壁面,均采用无滑移壁面边界,AB为对称轴。对于清洗道路标线喷嘴模型只需要将CB设置成清洗路面,其他边界设置均保持不变。由于高压水射流标线清洗涉及到气液两相流,所以在仿真设置中选择多相流模型中的VOF模型和Realizablek-ε湍流模型[11-12]。此外,求解方法选择Coupled,适当调小松弛因子,离散格式选择二阶迎风格式等设置会使计算过程相对稳定并且能够得到更加精确的计算结果。

图2 喷嘴内外流场的几何模型

将分别选取喷嘴入口直径D=3 mm、4 mm、5 mm,收缩角α=15°、30°、45°,建立喷嘴内外流场仿真模型。

2 喷嘴内外流场模拟结果分析

2.1 不同压力对标线清洗效果的影响

选取70 MPa、80 MPa、90 MPa和100 MPa四种不同的喷嘴入口压力,分别对喷嘴内外流场进行模拟仿真,从仿真数据可以看出四种不同出口压力下,对应的最高水射流的冲击速度分别为373.82 m/s,399.72 m/s、423.99 m/s和446.95 m/s,其速度变化图对比图如图3所示。

图3 四种不同压力下速度分布对比图

通过图3可以看出,在喷嘴压力入口处,由于喷嘴内压力聚集,流体并没有明显的流动,流体的速度趋于稳定;在喷嘴收缩段附近,由于收缩角的存在,流体高度聚集产生了很大的速度梯度,在喷嘴出口处速度达到最大值;在远离喷嘴孔处,由于流体与周围的环境介质(即大气)之间发生了剧烈的动量交换和紊动扩散,射流速度开始出现下降的趋势。由此说明喷嘴入口压力是影响射流速度的重要因素。入口压力越大,射流最大速度越大,清洗道路标线的效果会越好。因此,在不考虑对路面基体损伤的情况下,选择100 MPa的压力用于清洗道路标线是合理的。

2.2 不同入口直径对标线清洗效果的影响

在选定喷嘴入口压力为100 MPa的情况下,分别对入口直径D为3mm、4mm和5mm的喷嘴进行内外流场的模拟仿真。对仿真数据进行处理,得到如图4所示的速度分布对比图。

图4 三种不同入口直径的速度分布对比图

通过图4可以看出,在相同的入口压力下,喷嘴入口直径D=3 mm、4mm、5mm的最大冲击速度分别为446.56 m/s,447.04 m/s,447.29 m/s。在喷嘴出口处的射流速度差距并不明显,射流速度场的整体趋势基本一致。综上所述,喷嘴的入口直径大小并不是影响标线清洗效果的因素。因此,将选用喷嘴入口直径D=5 mm继续进行其他参数对标线清洗效果的影响。

2.3 不同收缩角对标线清洗效果的影响

选取15°、30°、45°三种不同角度的收缩角,在其他相同工况参数下,对喷嘴内外流场进行模拟仿真。对仿真数据进行处理,得到如图5所示的速度分布对比图。

图5 不同收缩角的速度分布对比图

通过图5可以看出,α=15°时的最大冲击速度略微大于α=30°和45°的最大冲击速度。且随着收缩角α的增大,射流速度衰减的趋势也相对明显。此外,在距离喷嘴出口30 mm处的径向冲击速度如图6所示。

图6 距离喷嘴出口30mm处的径向冲击速度对比图

通过图6可以看出,收缩角α=15°、30°、45°在距离喷嘴出口30 mm处径向最小速度分别为335.09 m/s,354.85 m/s,322.91 m/s。虽然α=15°中心速度较大,射流的集束性较好,但是射流轴心边缘速度较小,适用于射流切割;然而,α=30°轴心边缘速度较大,有较高的能量,有助于提高清洗的效率。综上所述,选用收缩角α=30°的喷嘴用于标线清洗是最佳的。

2.4 不同冲击角度对标线清洗效果的影响

在选定喷嘴入口压力为100 MPa的情况下,确定高压喷嘴与路面的距离为50 mm,仿真出口直径为1 mm的喷嘴在0°、30°和60°三种不同冲击角度下的水射流冲击壁面的流场。其中,水射流冲击角度是指水射流冲击方向与被清洗标线路面法线方向之间的夹角。三种不同冲击角度的速度云图如图7所示。为了方便观测,在不同冲击角度下,选择冲击路面作为基面,其径向速度的分布对比图如图8所示。

图7 三种不同冲击角度的速度云图

图8 不同冲击角度横向速度的分布对比图

通过图7和图8可以看出,当冲击角度为0°时,高压水射流垂直冲击路面,明显产生水的溅射现象,这些溅射的流体阻碍了射流对路面标线清洗的能力,从而影响了射流对标线的清洗效果;当冲击角度为30°时,射流冲击路面,不会明显产生溅射现象,射流作用到路面后,沿着路面方向的射流具有更大的能量和速度,对路面能达到更好的冲击清洗效果;当冲击角度为60°时,大部分的射流沿路面损失,且射流的利用率较低,从而也大大降低了射流对路面标线清洗的能力。综上所述,选择30°的冲击角,不仅可以使射流的利用率达到最大化,同时也可以提高对路面标线的清洗效果。

3 结 论

1)入口压力越大,水射流的最大冲击速度越大,选择100 MPa的压力用于清洗道路标线是合理的。

2)喷嘴的入口直径大小并不是影响标线清洗效果的因素。

3)收缩角α=15°射流束集中,中心速度大,轴心边缘速度小,适用于射流切割;收缩角α=30°轴心边缘速度大,有较高的能量,有助于提高射流清洗效率。

4)水射流冲击角度的不同对清洗道路标线效果的影响也各不相同,选择30°的冲击角,不仅可以提高射流利用率,也可以得到更好的清洗效果。

5)最终选择喷嘴出口直径d=1mm,入口直径D=5mm,收缩角α=30°,长径比l/d=3,作为喷嘴的结构参数,为之后清洗道路标线喷嘴机构的设计奠定基础。